柴油机SCR后处理系统控制单元开发与试验验证*

2017-01-09隋维龙彭忆强何伟韩志强

小型内燃机与车辆技术 2016年6期

隋维龙彭忆强何伟韩志强

（1-西华大学汽车与交通学院四川成都6100392-成都雅俊新能源汽车科技股份有限公司3-四川汽车关键零部件协同创新中心4-汽车测控与安全四川省重点实验室）

隋维龙1，3，4 彭忆强1，3，4 何伟1，2 韩志强1，3，4

SCR技术是降低发动机NOx排放的有效手段。基于MC9S12XS128芯片和SAE-J1939通讯协议，设计开发了SCR系统的控制单元与标定诊断工具，并编制了控制策略。最后在搭建的试验平台上验证了系统的可行性，将原机的NOx排放降低了80%。

SCR系统控制策略试验验证

引言

环境污染已经成为全世界高度重视的问题，我国大型城市的污染物来源正在由煤烟型污染向汽车型污染转变[1]。为了缓解环境压力，更加严格的排放法规也将逐步实施。面对日益严格的排放法规，采用尾气后处理技术是实现国Ⅳ及以上排放法规的必然技术措施[2]，在现有柴油机机内净化技术的基础上，结合高效的尾气后处理措施是柴油机技术发展的方向。柴油机的主要有害排放物有一氧化碳（CO）、氮氧化合物（NOx）、碳氢化合物（HC）、二氧化硫（SO2）和炭烟微粒（PM）[3]，其中NOx与PM更是重中之重。

选择性催化还原SCR（selective catalytic reduction）技术是降低发动机NOx排放的一条有效的技术路线，具有抗硫性强，燃油消耗量少及原机改动小的优点[4]，其中尿素选择催化还原（Urea-SCR）在世界范围内得到了广泛应用[5]。

本文以一台六缸涡轮增压柴油机为研究对象，自主设计开发了Urea-SCR控制单元、控制策略和基于SAE-J1939通信协议的标定诊断工具，并在发动机台架上进行试验，最终实现降低NOx排放的目标。

1系统介绍

1.1 Urea-SCR系统

Urea-SCR系统的基本工作原理为：向柴油机排气管中喷入32.5%尿素水溶液，在高温排气中尿素水溶液发生水解反应产生NH3，NH3在催化剂的作用下与NO和NO2发生化学反应，达到除去NOx目的。发生的反应主要有尿素溶液的热解、水解等反应生成NH3与异氰酸（HNCO）[6]：

异氰酸水解后生成NH3与CO2：

SCR后处理系统主要由发动机ECU、SCR-DCU（尿素计量控制单元）、尿素泵、尿素箱、NOx传感器、催化器、催化器前后温度传感器、空压机等部件构成，如图1所示。在本文所研制的系统中，催化器前后排温测量都使用PT200型温度传感器。NOx传感器采用德国大陆continental 5WK96756型，其精度高，敏感性好。尿素泵为气体辅助雾化和外混合方式。压缩空气电磁阀，集成了空气稳压与空气开启控制功能，可将压缩空气压力稳定在300 kPa。催化器的参数见表1。

系统工作时，SCR系统的DCU通过CAN总线接收发动机ECU传送过来的转速与负荷信号，结合自身通过各种温度传感器与液位传感器采集到的信息，按照软件中的控制策略向排气管中喷入尿素溶液。

图1 SCR后处理系统组成

表1 催化器参数

1.2 SCR控制系统

本文作者所研制的SCR控制系统主要由处理器核心模块、电源模块、驱动模块、A/D采样模块与CAN通信模块五部分组成。核心芯片选用飞思卡尔公司的S12X系列MC9S12XS128芯片，该款单片机使用范围广泛，成本较低，完全能够满足使用需求。使用了LM1085与TLE4251两款电源芯片，分别为核心芯片与温度、液位传感器供电。驱动模块中，核心模块发出的PWM波信号经过IR4427驱动芯片，加大了信号的驱动能力，从而完成对电磁阀的驱动。A/D采样模块负责采集催化器前后排温、尿素的温度与液位。CAN模块选用德州仪器SN65HVD230生产的3.3V CAN收发器，该收发器使用于较高通讯速率、具备良好的抗干扰能力和高可靠性CAN总线串行通讯能力。控制器的各模块如图2所示。

图2 SCR控制器功能模块

2系统工作过程

当SCR控制器上电监测完毕后，开始向尿素泵发送排空指令，尿素泵进入到排空状态，以最大流量运行30 s，尿素泵打开压缩空气电磁阀，尿素泵首先进行故障诊断，判断泵出压力是否在工作范围，如果压力在工作范围内，进入喷射状态，尿素喷射量为0。SCR控制器按照尿素喷射策略进行工作，首先判断催化器前后温度平均值是否达到200℃的起喷温度，如果达到则按照相应的控制策略计算当前工况下目标尿素喷射量，并向尿素泵发送相应的控制指令。整个工作过程如图3所示。

3SCR系统控制策略

SCR系统的控制策略主要为尿素的计量控制策略，要求向排气管中喷入适量的尿素溶液，使之还原尾气中的NOx，以达到国Ⅳ的排放限值标准3.5 g/（kW·h）[8]。尿素的计量控制策略包含尿素基本喷射量控制策略、温度延迟修正及氨存储能力修正。

3.1 尿素基本喷射量控制策略

尿素基本喷射量控制策略包含了基本控制策略以及闭环修正策略，如图4所示。首先通过发动机转速和油门开度查脉谱得到当前工况的NOx排放，假设NOx与NH3完全反应计算出理论NH3需求量，通过催化器前后排温取平均值得到催化器温度，再通过发动机转速和油门开度查空速脉谱得到当前空速，通过催化器温度和空速值查脉谱得到NOx目标转化效率。通过NOx传感器得到当前的NOx排放浓度，已知当前NOx原机排放，可以计算出当前工况实际NOx转化效率，与目标NOx转化效率作对比，利用PID控制程序进行闭环修正。最后通过质量换算得到实际尿素需求量。

在控制策略中需要得到三个脉谱图，发动机NOx排放脉谱、排气流量脉谱和NOx目标转化效率脉谱，可通过对原机试验获得。策略中还需要计算NOx质量流量，NH3需求量，尿素需求量。下面分别给出计算方法。

3.1.1 NOx质量流量计算

原机NOx排放试验中获得的NOx值浓度单位为10-6，在计算过程中需要将NOx浓度转换为mg/s。首先通过查脉谱得到当前工况下排气的质量流量，排气质量流量为进气质量流量和燃油消耗量之和。

式中：QNOx表示排气中NOx质量流量，单位mg/s；C1表示单位换算系数，即kg/h换算为mg/s，取277.78；M1表示NOx摩尔质量，取46；M2表示排气摩尔质量，取29；QEG表示排气质量流量，单位kg/h；VNOx表示NOx体积浓度，单位10-6。

3.1.2 NH3需求量计算

由化学反应式（3）、（4）可以知道，NH3和NOx为1∶1反应，即1 mol NH3与1 mol NOx参与反应。在计算过程中都是假设喷入排气管中的尿素完全水解并参与化学反应，但在实际过程中会有部分尿素残留在排气管壁上未能完全水解，需要进行修正，所以利用氨氮比NSR作为修正系数，初始值设为1，可以通过试验建立氨氮比脉谱图进行修正。目标NOx转化效率是由催化器温度和空速共同决定，通过原机的转化效率试验获得，目标NOx转化效率脉谱的设置一定要合理，如果转化效率设置过高容易导致氨泄漏过高，达不到法规要求。设置过低容易导致NOx排放超标。

图3 SCR系统工作过程

图4 尿素基本喷射量控制策略

式中：QNH3表示NH3实际需求量，单位mg/s；C2表示化学因子，即1 molNH3和1 molNOx完全反应摩尔质量之比，即17/46=0.37；NSR表示氨氮比，初始值设为1；fNOx表示目标NOx转化效率。

3.1.3 尿素需求量计算

从化学反应式（1）和（2）可知，1mol的尿素水溶液最终水解为2 mol的NH3，使用中的尿素水溶液中尿素体积分数实际为32.5%.

式中：Qadblue表示尿素质量流量mg/s；M3表示尿素摩尔质量，取60 g/mol。

3.2 温度延迟修正

在实际工作的状态下，由于车辆受到交通状况的影响，常常都会处在加速或减速瞬态变化工况，发动机转速或负荷会出现陡增或陡降的情况。由于催化器本身的热阻作用，温度的变化不会像排气温度变化那么迅速，总会出现一定的延迟。按照前后排气温度计算催化器温度的算法会出现较大误差，对NOx的转化效率也将会产生很大影响，因此需要对催化器温度变化作延迟修正[9]。瞬态工况的变化主要是通过油门的变化率进行判断，油门变化率为正且不为零时判断为加速工况，当油门变化率为负时判断为减速工况。

当处在加速工况时发动机的排温也会相应地从低排温过渡到高排温，催化器的温度也会慢慢升高，此时按照排温计算的催化器温度偏高，喷入的尿素也会过量，导致尿素不能充分和NOx反应，NH3也会大量泄漏。当处在减速工况时，排气温度迅速降低，此时催化器载体具有一定的储热能力，温度相对排温较高，可以适当增加尿素喷射量，提高NOx转化效率。

3.3 氨存储能力修正

催化器的氨存储能力，是指催化剂涂层以及载体发生化学吸附并没有与NOx发生氧化还原反应的氨气质量的多少[2]。而排气温度是影响氨存储能力大小的主要因素，当发动机排气由低温过渡到高温工况时，存储在催化器中的NH3会释放参与化学反应，如果不考虑这部分NH3，就有可能出现NH3泄漏的情况，当发动机排气由高温过渡到低温时，此时会有部分的NH3吸附在催化器内部，不参与化学反应，因此需要补偿这部分吸附的NH3，不然会减低NOx转化效率，有可能导致NOx排放超标。修正方程如下：

式中：ΔM表示尿素修正质量，单位g；V表示催化器体积，单位L；MNH3表示NH3摩尔质量，17 g/mol；MNOx表示NOx摩尔质量，46 g/mol；C3表示质量换算系数，即NH3与尿素质量换算，取5.42；ΔNH3表示温差引起的NH3吸附/解吸附量，单位g。

在不同排温下氨的存储量需要做试验获得，由于试验条件的限制，无法测量NH3浓度，因此，在控制策略中只给出修正的方法。这样，在尿素基本喷射量控制策略的基础上添加了温度延迟修正与氨存储能力修正后的尿素计量控制策略如图5所示。

4SCR系统试验研究

本项目所搭建的系统试验平台如图6所示。新鲜空气通过空滤器与空气流量计后流经压气机、中冷器后进入缸内，柴油喷射方式为高压共轨式，废气通过涡轮增压器后进入SCR系统。试验所使用的是玉柴YC6L260柴油机，其基本参数见表2。

表2 发动机性能参数

在十三点工况下，测得的经SCR系统处理前后的NOx排放的对比如图7所示，其中NOx是以10-6为单位。在相同转速时，随着发动机负荷的上升，NOx排放也开始急剧上升，催化器温度也急剧上升，由于温度的上升催化剂的转化效率也快速升高，NOx与NH3的反应更加充分，处理后的NOx排放较低，达到几十个10-6。

根据GB 17691-2005中规定的NOx比排放的计算方法，对十三点工况的NOx进行单位上的换算，可以得到如表3所示的计算结果。

最后的比排放计算公式为：

图5 尿素计量控制策略

图6 SCR系统试验平台

图7 十三点工况处理前后NOx对比

根据公式9，SCR系统处理前的比排放计算结果为10.25 g（/kW·h），处理后的比排放值为2.08 g（/kW·h）。因此经SCR系统处理后，NOx比排放值下降了80%，效果明显。

表3 十三点工况NOx排放计算结果

5结论

1）设计开发了基于MC9S12XS128芯片的SCR系统控制单元和基于SAE-J1939通信协议的标定诊断工具。

2）制定了SCR系统的软件控制策略，在尿素基本喷射量控制策略的框架基础上添加了温度延迟修正与氨存储能力修正。

3）通过试验验证，确定所设计的控制系统的硬件与软件都能正常使用，并将原机的NOx比排放降低了80%。

1卫小春.加强机动车尾气超标排放治理[J].民主，2014（7）：9-10

2覃军.降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略研究[D].武汉：武汉理工大学，2007

3韩志强.两级增压系统参数选择以及对燃烧过程的影响研究[D].天津：天津大学，2012

4胡静，赵彦光，陈婷，等.重型柴油机尿素SCR后处理系统的控制策略研究[J].内燃机工程，2011，32（2）：1-5

5郭秀丽.柴油机尿素选择催化还原技术现状及发展趋势[J].小型内燃机与摩托车，2014，43（1）：79-83

6胡杰，王立辉，王天田.柴油机Urea-SCR控制系统设计与试验[J].农业机械学报，2016，47（2）：349-356

7Cheolyong Choi,Yonmo Sung,Gyung Min Choi,et al. Numerical analysis of NOxreduction for compact design in marine urea-SCR system[J].International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering,2015(7):1020-1034

8国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.GB 17691-2005车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法（中国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段）[S].北京：中国环境科学出版社，2005

9胡静，赵彦光，陈婷，等.重型柴油机尿素-SCR闭环控制系统的研究[J].汽车工程，2011，33（6）：482-485

Development and Test Validation of Control Unit of SCR Post-processing System for Diesel Engine

Sui Weilong1,3,4,Peng Yiqiang1,3,4,He Wei1,2,Han Zhiqiang1,3,4
1-School of Automobile＆Transportation,Xihua University(Chengdu,Sichuan,610039,China) 2-Chengdu Yajun New Energy Vehicles Technology Company Limited 3-Collaborative Innovation Center of Automotive Key Components of Sichuan Province 4-Key Laboratory of Automotive Measure-control and Safety，Sichuan Province

SCR technology is an effective way to reduce NOxemissions of diesel engine.In this paper,the control unit of SCR system based on the MC9S12XS128 hardware and the calibration diagnosis tool based on SAE-J1939 communication protocol were developed,and the control strategy was compiled.The feasibility of system was validated on the test bench.The experimentresults show that,the engine′s NOxemission was reduced by 80%.

SCR system,Control strategy,Test validation

TK421.5

2095-8234（2016）06-0064-08

2016-10-28）

新能源汽车电控技术四川省青年科技创新研究团队（2015TD0021），四川省科技支撑项目（2015GZ0128，2015GZ0145）。

隋维龙（1988-），男，硕士研究生，主要从事汽车发动机燃烧与排放优化方面的研究。